一种纳秒级光可编程的电控光偏转方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电光元器件的设计与制备领域，特别涉及一种新型的电控光偏转技 术。
【背景技术】
[0002] 基于电光效应的光偏转技术由于响应速度快、任意的偏转角、较小的体积、没有可 移动部件、可靠性很高等特点，被认为最适合于实现超快(纳秒级)光束偏转技术，更满足未 来电光器件小型化、集成化发展的需要，是未来光偏转发展技术的主导方向之一，具有很大 的应用前景。目前已提出的电光偏转方法有：
[0003] 基于晶体棱镜型的偏转方法:通过将晶体切割成棱镜形的形状，如直角棱镜，从而 使入射光束发生偏转。为了增大偏转角度，在LiTa0 3、LiNb03等晶体上，常采用多级级联晶体 棱镜、级联畴反转晶体棱镜等方法。通过这种多级级联的方法，其偏转角度也仅为l〇_ 5rad左 右，且所需的棱镜数目较多，制作工艺较为繁琐。
[0004] 基于特殊电极结构型的偏转方法:通过在晶体表面设计特殊的电极结构，在电光 晶体中形成垂直于光束传播方向的梯度电场。当平面波垂直入射时，发生偏转。常采用的电 极结构，如圆柱电极结构、双曲面电极结构、凹圆形电极结构、超越曲面电极结构等，晶体有 LiNb03、KDP等。相比于基于晶体棱镜型的偏转方法，该偏转角度增大了 一个数量级，但也仅 达到了 l(T4rad，仍很小，且需要很高的外加电场，电极加工相对比较困难。
[0005] 以上两种电光偏转方法均属于传统型的电光偏转器的范畴，偏转角度普遍较小。
[0006] 基于电荷控制的新型电光偏转方法:2006年由日本的NTT光子实验室提出，该方法 通过外电场在矩形的KTN晶体中注入电子(矩形均匀电极），形成空间电荷分布，产生不均匀 电场，基于Kerr效应在晶体内形成梯度折射率分布，使光束发生偏转。偏转角与电压的平方 成正比，偏转方向平行于电场，可实现大角度低电压的扫描。该实验室已报道了在通光方向 长5mm，厚度为0.5mm的KTN晶体中实现了 250mrad(14.3°)偏转，外加电压只有±250V。基于 LiTa03晶体的电光偏转器用14200V/mm的外加电场，在15mm光程上使用10个棱镜形的晶体， 才达到了这一指标。
[0007] 目前，国内山东大学国家重点实验室基于KTN晶体，采用偏振方向与电场方向平行 的激光束入射晶体，在千伏电压内实现了激光光束垂直于电场方向的75mrad偏转，实现了 激光光束垂直电场方向偏转的扫描。华中科技大学光电国家实验室提出一种基于KTN晶体 的变焦透镜的轴向随机扫描方法。该方法是在矩形的KTN晶体上外加直流电场，使晶体内部 电场呈梯度分布，从而使入射光束发生偏转。
【发明内容】
[0008] 本发明提出一种纳秒级光可编程的电控光偏转方法。利用诱导光束(光强具有线 性梯度灰度分布的光束、凸加速光束）照射晶体，通过光折变效应，在晶体中诱导形成具有 相应光场分布的空间电荷场，进而产生相应分布的折射率分布。对该晶体加载电压，平面平 行光波垂直入射该晶体，发生偏转。通过改变诱导光束或/和外加电场的参数控制光束的偏 转方向或/和角度。
[0009]本发明不同于以往的基于电诱导的空间电荷控制的光束偏转理论，而是通过不同 的光场分布来诱导形成不同的空间电荷场，实现对光可编程的电控光束偏转，可实现纳秒 级、大角度、低电压的光束偏转，为光偏转领域技术的研究提供了一种新的方法。
[0010]本发明方法的具体过程包括：
[0011] 步骤一、诱导光束(光强具有线性梯度灰度分布的光束、凸加速光束)照射晶体，通 过光折变效应，在晶体内中诱导产生相应光场分布的空间电荷场。光强具有线性梯度灰度 分布的光束在晶体内形成具有棱镜形折射率分布，凸加速光束诱导晶体内形成凸加速(如 Airy)传输通道。凸加速光束是指其轨迹描述为x = azn或x = b[ekz-l]，n = 2,3,4,…，a，b，k 均为常数(如Airy光束，三次曲线光束）。对晶体加载电场，即开通加载电压系统，可增大其 空间电荷场，从而增大折射率变化量。此处所述的线性梯度分布的诱导光束的产生方式不 限，可以从光路中产生，也可用SLM产生。（1)从光路中产生。将激光器、扩束准直系统、反射 镜等组成光路系统，产生诱导光束。设计并加工具有线性梯度灰度模板，将该模板放入光路 系统中，平面光波垂直入射该模板，经该模板调制后的光场分布具有相应的线性梯度分布， 作为诱导光束；（2)利用SLM产生。采用空间光调制器可以方便的生成具有不同强度分布特 性的光场，用这种特殊设计的光场就能在晶体中产生特定的位相调制，这些特定的位相调 制即能生成所需要的光束偏转的效果。光强具有线性梯度灰度分布的光束、凸加速（如 Airy)光束的产生均可以采用(2)。
[0012] 步骤二、对上述电光晶体加载电压，平行光垂直入射该晶体，发生偏转；
[0013] 步骤三、改变诱导光束参数或/和外加电场参数，操控光束的偏转角度或/和方向。 如改变诱导光束偏振态、梯度分布(光强、梯度方向角）、凸加速(如Airy)光束参数，即可改 变晶体内的折射率分布，从而改变偏转角度大小或/和方向；改变外加电场大小或/和方向， 改变偏转角度大小或/和方向；改变环境温度、诱导光束的光强，改变偏转角度大小，实现偏 转角度的控制。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明提出的一种纳秒级光可编程的电控光偏转方法流程图；
[0015] 图2为本发明提出的实施例光路结构图；
[0016] 附图标记：1、第一激光器，2、扩束准直系统，3、反射镜，4、空间光调制器(SLM)，5、 分光镜，6、Mn: Fe: KTN晶体，7、CCD，8、计算机，9、偏振片，10、电压加载系统，11、温度控制系 统，12、第二激光器。
[0017] 图3为本发明所设计的一种线性梯度光场分布实例。
【具体实施方式】
[0018] 下面以图2所示的实验光路为例，阐述本发明方法的具体过程：
[0019] 步骤一、
[0020]①诱导光束的产生
[0021]搭建图2所示的实验光路系统，包括激光器1，扩束准直系统2,反射镜3,SLM 4,分 光镜5，Μη: Fe: KTN晶体6，CCD 7，计算机8，偏振片9，电压加载系统10，温度控制系统11。激光 器1为波长λ = 532ηπι的半导体激光器，发出的激光束经扩束准直系统后变成平面光波，经反 射镜3以12°斜入射SLM 4。设计一具有线性梯度灰度分布函数，如I (X，y )= X tana，其中，梯 度方向角tana = L/X，如图3所示。将该函数输入给SLM 4,经SLM 4的出射光波作为诱导光 束，偏振片9使诱导光束为P偏振光。
[0022]②空间电荷场的形成
[0023]实验所用的晶体6为采用顶部籽晶助溶剂法生长的双掺杂的Mn: Fe: KTN晶体，其尺 寸为3.4(x) X 2.0(y) X 0.94(z)mm3，居里温度为27°C。沿晶向[010]切割并光学抛光，在xz两表 面镀银电极及导线，电场启通过高压加载系统10沿y轴方向加载到晶体两表面，即 _g=。调节温度控制系统11设置实验温度为30°C，使晶体处于顺电相。①所产生的诱 导光束经分束镜5入射到晶体6上，基于光折变效应，在晶体内产生相应分布的空间电荷场， 进而引起折射率的梯度分布，即具有棱镜形折射率分布。
[0024]步骤二、光束的偏转与测量
[0025] 关闭激光器1，打开激光器12，激光器12可与激光器1相同，也可不同。激光器12发 出的细光束经分光镜5后（可视为平行光），垂直入射到折射率梯度分布的晶体6上发生偏 转。此过程中保持电压加载系统10处于开通状态，CCD7记录并测量光束偏转角度的大小或/ 和方向。
[0026]步骤三、偏转角度和方向的控制
[0027] 改变诱导光束的偏振态(如TM模式、TE模式）、梯度分布参数(如梯度方向角)等，即 可改变晶体内的折射率分布，从而改变光束偏转的角度大小或/和方向。
[0028] 调节电压加载系统10改变加载电压的大小或/和方向、调节温度控制系统11改变 晶体所处的温度、调节激光器1的功率来改变写入光强大小，即可改变光束偏转的角度大小 或/和方向。
【主权项】
1. 一种纳秒级光可编程的电控光偏转方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： 步骤一、诱导光束照射晶体，通过光折变效应，在晶体内中诱导产生相应光场分布的空 间电荷场;其中诱导光束为光强具有线性梯度灰度分布的光束、凸加速光束;光强具有线性 梯度灰度分布的光束在晶体内形成具有棱镜形折射率分布，凸加速光束诱导晶体内形成相 应的弯曲通道； 步骤二、对上述的晶体加载电场，平行光垂直入射该晶体，发生偏转； 步骤三、改变诱导光束参数或/和外加电场参数，从而改变偏转角度大小或/和方向，实 现偏转角度或/和方向的控制。2. 如权利要求1所述的纳秒级光可编程的电控光偏转方法，其特征在于，所述步骤一 中，还包括对晶体加载电场，以增大其空间电荷场，从而增大折射率变化量。3. 如权利要求1所述的纳秒级光可编程的电控光偏转方法，其特征在于，所述步骤三 中，还包括连续改变晶体所加载的电场，实现非机械性扫描。
【专利摘要】本发明公开了一种纳秒级光可编程的电控光偏转方法。该方法是诱导光束(光强具有线性梯度灰度分布的光束、凸加速光束)照射电光晶体，利用光折变效应，在晶体内诱导产生具有相应光场分布的空间电荷场，实现对入射光束的偏转。通过改变诱导光束或/和外加电场的参数控制光束的偏转方向或/和角度。该技术可实现超快(纳秒级)、大角度、低电压的光束偏转，更满足未来电光器件小型化、集成化发展的需要，特别适用于机载、星载平台。
【IPC分类】G02F1/03
【公开号】CN105607295
【申请号】CN201610103971
【发明人】吕且妮, 李弼华, 戴海涛, 韩金鑫, 李瑞华
【申请人】天津大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2016年2月25日